Automated Orienting of Water Molecules in Neutron Crystal Structures
(2019) KEMK08 20192Department of Chemistry
- Abstract
- A protein’s function is directly related to its structure, which is in a water medium where it is affected by hydrogen bonds and the hydrophobic effect. These interactions are in turn dependent on the water molecules’ orientations around the protein. Therefore, it is vital to have correct orientations for the water molecules. Such information can be obtained by neutron crystallography. However, even in such structures, the correct orientation of water requires a manual evaluation and possible re-orientation of each water molecule. This is a tedious and time-consuming procedure since proteins typically contain hundreds of water molecules in their lattice and can have several sub-units. Therefore, we have here tried to develop a method that... (More)
- A protein’s function is directly related to its structure, which is in a water medium where it is affected by hydrogen bonds and the hydrophobic effect. These interactions are in turn dependent on the water molecules’ orientations around the protein. Therefore, it is vital to have correct orientations for the water molecules. Such information can be obtained by neutron crystallography. However, even in such structures, the correct orientation of water requires a manual evaluation and possible re-orientation of each water molecule. This is a tedious and time-consuming procedure since proteins typically contain hundreds of water molecules in their lattice and can have several sub-units. Therefore, we have here tried to develop a method that reliably automatizes the orienting of the water molecules in a simple and relatively fast way. As test cases, we used the proteins galectin-3C, rubredoxin and pyrophosphatase. We evaluated the water molecules' orientations both quantitatively, with RSCC values, and qualitatively, by studying the orientations in density maps. We have optimized the refinement by varying the optimization methods and refinement parameters, thus finding the settings that yielded the best results in terms of time and performance. In particular, we have constructed two scripts that identify and re-orient inadequately oriented water molecules. Ultimately, we performed the refinement and re-orienting using only neutron data. We show that our approach yields improved orientations of the water molecules for all three proteins, in a shorter time than a manual orientation. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Vid läkemedelsutveckling används proteiner vars funktion är beroende på hur det är veckat (dess konformation). Denna veckning påverkas i sin tur av vätebindningar från vatten, som bildar vätskemiljön i kroppen där medicinen ska verka och styrkan av vätebindningar påverkas i sin tur av vattenmolekylernas orientering kring proteinet. För att kunna förutse proteinets funktion i kroppen är det därför viktigt att känna till vattenmolekylernas orientering i förhållande till proteinet. Efter att ha bildat en kristall av proteinet och utfört t.ex neutronkristallografi, kan man ta reda på detta genom att utföra en kristallografisk förfining. I denna förfining orienteras vattenmolekylerna automatiskt baserat på en modell och kärntäthetskartorna från... (More)
- Vid läkemedelsutveckling används proteiner vars funktion är beroende på hur det är veckat (dess konformation). Denna veckning påverkas i sin tur av vätebindningar från vatten, som bildar vätskemiljön i kroppen där medicinen ska verka och styrkan av vätebindningar påverkas i sin tur av vattenmolekylernas orientering kring proteinet. För att kunna förutse proteinets funktion i kroppen är det därför viktigt att känna till vattenmolekylernas orientering i förhållande till proteinet. Efter att ha bildat en kristall av proteinet och utfört t.ex neutronkristallografi, kan man ta reda på detta genom att utföra en kristallografisk förfining. I denna förfining orienteras vattenmolekylerna automatiskt baserat på en modell och kärntäthetskartorna från neutrondatan. Men detta steg är inte perfekt och kräver därför en manuell omorientering av felaktigt orienterade vattenmolekyler. Detta brukar ta lång tid och kräver mycket arbete eftersom proteinstrukturer kan innehålla flera hundra vattenmolekyler och kan bestå av flera subenheter. Eftersom omorienteringen görs manuellt, kan resultaten vara lite partiska och därmed finns inte heller någon tydlig gräns på vad som gör en vattenmolekyls orientering bra eller dålig. Därför vill vi utveckla en objektiv metod som på ett pålitligt sätt automatiserar orienteringen av vattenmolekyler på ett snabbt och enkelt sätt. För att göra metoden så objektiv som möjligt införde vi real-space correlation coefficient (RSCC) som en numerisk validering på vattenmolekylerna. Som testproteiner använde vi galectin-3C, rubredoxin och pyrofosfatas. Vi har optimerat förfiningen genom att variera optimeringsmetoden och parametrarna. Sedan jämförde vi RSCC med vår manuella studie av de modellerade vattenmolekylerna. När vi hittat den optimerade förfiningsmetoden gjorde vi ett program som automatisk roterade dåligt orienterade vattenmolekyler baserat på deras RSCC. Vår metod gav förbättrad orientering bland vattenmolekylerna hos alla tre proteiner och på kortare tid än en manuell orientering. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8993348
- author
- Eriksson, Axl LU
- supervisor
-
- Ulf Ryde LU
- organization
- course
- KEMK08 20192
- year
- 2019
- type
- M2 - Bachelor Degree
- subject
- keywords
- Teoretisk kemi, Theoretical chemistry, Crystallography, Neutron crystallography, X-ray crystallography, Phenix.refine, Method development, Model improvement
- language
- English
- id
- 8993348
- date added to LUP
- 2019-09-12 14:36:25
- date last changed
- 2019-09-12 14:36:25
@misc{8993348,
abstract = {{A protein’s function is directly related to its structure, which is in a water medium where it is affected by hydrogen bonds and the hydrophobic effect. These interactions are in turn dependent on the water molecules’ orientations around the protein. Therefore, it is vital to have correct orientations for the water molecules. Such information can be obtained by neutron crystallography. However, even in such structures, the correct orientation of water requires a manual evaluation and possible re-orientation of each water molecule. This is a tedious and time-consuming procedure since proteins typically contain hundreds of water molecules in their lattice and can have several sub-units. Therefore, we have here tried to develop a method that reliably automatizes the orienting of the water molecules in a simple and relatively fast way. As test cases, we used the proteins galectin-3C, rubredoxin and pyrophosphatase. We evaluated the water molecules' orientations both quantitatively, with RSCC values, and qualitatively, by studying the orientations in density maps. We have optimized the refinement by varying the optimization methods and refinement parameters, thus finding the settings that yielded the best results in terms of time and performance. In particular, we have constructed two scripts that identify and re-orient inadequately oriented water molecules. Ultimately, we performed the refinement and re-orienting using only neutron data. We show that our approach yields improved orientations of the water molecules for all three proteins, in a shorter time than a manual orientation.}},
author = {{Eriksson, Axl}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Automated Orienting of Water Molecules in Neutron Crystal Structures}},
year = {{2019}},
}